7月底，全球首顆量子微納衛星“濟南一號”搭載“立堅一號”運載火箭在酒泉衛星發射中心成功發射公升空。 據了解，此次發射的量子微納衛星重量已減少到“墨子號”量子科學實驗衛星的1 6左右，光源頻率提公升了約6倍，金鑰生成的時效性提公升了2-3個數量級，研發成本和發射成本大幅降低。 與“墨子號”量子科學實驗衛星相比，“濟南一號”的小型化量子衛星地面站重量從12噸減少到100公斤以下，安裝部署時間從數月縮短至數小時。
7月27日12時12分，“濟南一號”搭載“立建一號”運載火箭在酒泉衛星發射中心成功發射公升空。
“濟南一號”量子微納衛星的成功研製，將使我國在全球首次實現基於微納衛星和小型化地面站的實時星對地量子金鑰分發，構建低成本、實用的空地一體化量子通訊網路。
基於量子力學的基本原理，量子通訊原則上提供了唯一無條件安全的通訊方式。 面對使用者日益增長的需求，在墨子號量子科學實驗衛星奠定的技術基礎上，發射多顆低成本量子衛星，實現網路執行，是構建高效、實用、全球量子通訊網路的必由之路。
什麼是量子通訊？ 與傳統通訊相比，有哪些優勢？ “濟南一號”的研發突破了哪些技術難點？ 本文將解釋這些問題。
（注：量子力學理論請參考上一篇文章《從量子科學談時空旅行》）。
理由
量子通訊主要基於量子糾纏態理論，利用量子傳輸（傳輸）來實現資訊傳輸。 量子通訊的過程如下：預先構造一對具有糾纏態的粒子，將兩個粒子分別放置在通訊的兩側，共同測量量子態未知的粒子和傳送方的粒子，然後接收方的粒子瞬間坍縮（變化），並坍縮（變化）成一定狀態， 它與坍縮（變化）後傳送方粒子的狀態對稱，然後通過經典通道將聯合測量的資訊傳輸給接收方，接收方根據接收到的資訊對坍縮後的粒子進行酉變換（相當於反向變換），未知的量子態與傳送方的量子態完全相同。
與傳統通訊方式相比，量子通訊具有一些突出的特點，如安全性相對較高，傳輸過程不易受阻。 當量子態沒有被破壞時，它不會在傳輸資訊的過程中被竊聽或複製，因此它是嚴格安全的。
為您的資料設定牢不可破的鎖
基於量子力學中的不確定性、測量坍縮和不可轉殖性三大原理，量子通訊具有無法通過竊聽和計算破解的絕對安全保障，主要分為量子隱形傳態和量子金鑰分發兩種（基於“濟南一號”的特點，本文將重點討論量子金鑰分發）。
量子通訊衛星與地面站實驗示意圖（來源：中國科學技術大學）。
量子金鑰分發的原理如下：圖1所示為典型的點對點量子金鑰分發系統模型。 如您所見，量子金鑰分發是兩個通訊方協商以生成共享金鑰的過程。 雖然有許多不同的量子金鑰分發協議，如“bb84”和“gg02”，但它們都需要通過連線到量子通道和經過身份驗證的經典通道的傳送和接收裝置來實現。 量子通道傳輸量子態攜帶的量子位元訊號，可以使用光纖和自由空間（包括衛星鏈路）等物理介質進行傳輸。 經典通道用於傳送方 A 和接收方 B 之間的資訊交換，用於資料後處理步驟（如基本向量比較）。 在這裡，量子和經典通道都可以通過公共通訊網路傳輸，而不必擔心竊聽者，因為 A 和 B 可以使用特殊的量子金鑰分發過程來檢測竊聽。
圖 1：量子金鑰分發工作原理圖。
當 A 和 B 之間發生量子安全通訊時，首先需要對稱金鑰分發。 量子金鑰分發的第一步是量子通訊，即通過量子通道對量子態進行準備（或編碼）、傳輸和測量（或解碼）。 在這裡，A和B都擁有建立量子通道所需的專用光學裝置。 A 通過單光子源連續向 B 傳送單個光子（量子態的載流子），每個光子可以被視為攜帶 1 量子位元 （Qbit） 的資訊。 當傳送這些光子時，隨機選擇兩種不同型別的“自由基”之一進行量子編碼處理。 在“BB84”協議中，“基極”是編碼或測量偏振的光子的偏振角，每類鹼基包含兩個相互正交的鹼基向量，兩類鹼基之間是非正交的，例如由偏振組成的垂直正交基和由偏振組成的斜對角基。
為了獲得它通過量子通道接收到的每個光子所攜帶的資訊，B需要隨機選擇兩個可能的“鹼基”之一來測量光子，就像A一樣。 在這裡，測量基礎的選擇必須是隨機的，並且與製備光子時使用的基礎無關。 然後，可以將A和B與雙方在通過經典通道製備和測量光子時使用的鹼基進行公開比較。 當且僅當 A 和 B 隨機選擇相同的鹼基時，根據海森堡不確定性 （1） 原理，雙方都會得到可用於生成金鑰的相同資訊。 當 A 和 B 隨機選擇不同的鹼基時，雙方獲得的資訊是隨機的，應丟棄。
量子通訊步驟結束後，量子金鑰分發系統還需要根據引數估計過程，通過誤位元速率等引數的評估來識別是否存在竊聽，然後還需要通過糾錯確保發射端和接收端的兩端得到乙個完全一致且安全的隨機數， 對金鑰資料進行驗證、私隱放大等處理，用於生成雙方保密通訊所需的對稱金鑰。
1）海森堡不確定性原理：該原理指出，一旦通過測量可以獲得量子系統的部分狀態資訊，那麼量子系統的狀態將不可避免地受到擾動，除非事先知道量子系統的可能狀態是彼此正交的。這允許雙方在量子金鑰分發過程中獲得正確的資訊，只有當接收方使用與傳送方相同的基進行準備和測量（包括兩個正交基向量）時; 竊聽者的測量行為不可避免地會改變量子態的物理性質，從而不可避免地會檢測到竊聽行為。
技術難點
經過20多年的努力，我國在量子通訊領域實現了從追隨到引領的重大轉變，目前，我國量子通訊技術已為紀念抗日戰爭勝利70周年閱兵式、中國共產黨十九大等全國性重要會議和活動提供了資訊保安保障。 此外，量子安全通訊技術已應用於銀行監管資訊上報、人民幣跨境收付資訊管理系統、網上銀行資料遠端容災系統等領域。 那麼，中國科學家在量子通訊技術的研發中遇到了哪些困難呢？
2016年11月在阿里拍攝的“地星量子”傳輸實驗（來源：新華社）。
難點1：單個光子的製備。
在量子通訊技術的研發過程中，首先要面對的是製備單個光量子的技術問題。 中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉曾舉乙個非常生動的例子來說明這項關鍵技術的難點：乙個普通的15瓦燈泡每秒發出高達10萬億個光量子，而單個光量子的製備，就像在那一刻捕獲了10萬億個光量子中的乙個排放。
難點2：單光子探測。
單光子已經是光能的最小單位，而且能量非常微弱，這需要開發非常精確和高效的單光子探測技術。 只有具備了對單個光量子的製備和檢測能力，才能實現安全的量子通訊。
難點三：衛星對地通訊就像在萬公尺高空投硬幣。
墨子號量子科學實驗衛星常務副總設計師王建宇曾舉過乙個例子，“把光子從1000公里的高空發射到地面站，就像把硬幣扔進兩個細長的存錢罐裡，地上有兩個旋轉的硬幣槽。 存錢罐的硬幣噴口細長，相當於光的偏振，並且有乙個方向，硬幣必須朝正確的方向投擲才能投擲，而且不能乙個，但必須同時準確地投擲兩面。 ”
難點四：地面探測遠比千里眼難。
據計算，乙個火柴行程中大約有1017個光子，乙個衛星地面站的探測能力相當於地球上的乙個人，要在月球上找到乙個畫了火柴的人。 此外，有必要了解每秒1億個光子在地面上檢測到多少光子，並且這些光子是排列在一起的。
前途
在完成在軌測試後，濟南一號將與小型化地面站系統配合，完成實時星對地量子金鑰分發實驗，開展商用廣域量子通訊網路應用演示，進一步擴大我國在空間量子通訊領域的國際領先地位。
濟南量子技術研究院副院長週飛在接受採訪時表示，按照規劃，低成本、實用的空地一體化廣域量子安全通訊網路應作為“中高軌道量子衛星+低軌道量子通訊衛星星座+大規模地面光纖量子通訊網路”的基本架構，三者相互配合，相輔相成。
截至目前，在地面光纖方面，我國已建成“京滬幹線”、“五河幹線”等量子安全通訊骨幹網，以及北京、上海、濟南、合肥等地的都會網路和工業接入網。 基於這些網路，量子安全通訊技術已服務於政務、金融、電力、能源等領域。
未來，一旦又有量子微納衛星發射，我國的“量子星座”將不斷完善，與光纖網路上的關鍵節點和可移動節點完成對接，無縫連線經典通訊網路，成為忠實的“信使”。
與網路。
事實**：
量子糾纏和量子通訊，它們之間有什麼關係？
內容來自中國科學技術大學主辦的墨子沙龍線上活動 她的力量 智慧與勇氣的女性 年月日 尹娟教授。課文由林梅整理，尹娟教授審閱。年月日，諾貝爾物理學獎授予了三位在量子資訊領域做出開創性貢獻的科學家。在諾貝爾獎的官方介紹中，提到有篇由中國科學家主導或參與的文章，其中衛星對地量子金鑰分發 衛星對地量子金鑰分...
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